地槽式散熱器在上海地區(qū)的適用性分析

陳　剛

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

地槽式散熱器在上海地區(qū)的適用性分析

陳剛

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

地槽式散熱器提供空調(diào)供熱的方式在英國、北歐、韓國等國家和地區(qū)廣泛使用，但在國內(nèi)的夏熱冬冷地區(qū)尚未普及。本文擬對該散熱器采暖系統(tǒng)在上海地區(qū)高檔辦公標(biāo)準(zhǔn)層中的適用性進(jìn)行分析與研究，包括工作原理、舒適度、運(yùn)行及維護(hù)等。

地槽式散熱器；工作原理；熱舒適模擬分析；運(yùn)行及維護(hù)

0　引言

地槽式散熱器（Trench Heater）是替代傳統(tǒng)散熱器的一種新型末端設(shè)備，它一般設(shè)置在幕墻周邊，利用暗裝在地槽內(nèi)的熱水管或電加熱管加熱室內(nèi)空氣，并通過對流及輻射方式向房間供暖。

地槽式散熱器的供熱介質(zhì)為熱水或電加熱。電加熱式地槽式散熱器一般只作為一種輔助供熱手段。這種方式不節(jié)能，但是可以作為VAV系統(tǒng)的一種保障，以滿足使用者不同的需求，并避免水患。但是，根據(jù)上海市節(jié)能規(guī)范，這種方式不被允許。因此，以下分析僅針對熱水式地槽式散熱器。

1　工作原理

地槽式散熱器末端對流方式有自然對流和強(qiáng)制對流兩種。

自然對流是利用冷空氣受熱自然上升的原理，在幕墻周邊形成一道溫暖的空氣幕，以滿足供熱需求并抵消冷表面（如大面積玻璃幕墻）等造成的不適感。自然對流型地槽式散熱器屬于即時安裝的供暖裝置，是安裝在大面積落地窗前的理想選擇。供水采用低壓熱水，供水溫度越高效果越好。

強(qiáng)制對流散熱器則是在自然對流的基礎(chǔ)上增加風(fēng)機(jī)，這種方式可以極大地增加散熱量，但需要注意噪聲等問題。帶風(fēng)機(jī)的對流型地槽式散熱器包括貫流風(fēng)機(jī)型、離心風(fēng)機(jī)型和置換通風(fēng)型三種。帶風(fēng)機(jī)的散熱器效果好的風(fēng)機(jī)的噪音約36dbA。

圖1　地槽式散熱器原理圖

根據(jù)使用目的，地槽式散熱器可分為單制熱、單制冷和冷暖兩用三類。

在歐美國家，對流式散熱器使用有較長的歷史，其研究成果及生產(chǎn)水平也處于較領(lǐng)先的地位。[1，2]在國內(nèi)，尤其在北方地區(qū)的公共建筑及商業(yè)建筑內(nèi)，地槽式散熱器也逐步得以推廣應(yīng)用，如沈陽財富中心、北京會議中心、天津美術(shù)館、遼寧科技館、石家莊機(jī)場等。

2　系統(tǒng)設(shè)計要點

上海位于夏熱冬冷地區(qū)，春秋較短，冬夏較長。年平均氣溫15.8℃。7月最熱，市區(qū)平均氣溫27.8℃，1月最冷，平均氣溫市區(qū)3.6℃。冬、夏季室外設(shè)計溫度分別為-2.2℃及34.4℃。

辦公室的空調(diào)冷熱負(fù)荷有以下特點：

（1）內(nèi)熱冷負(fù)荷：由室內(nèi)照明、設(shè)備和人員的發(fā)熱量組成的冷負(fù)荷，這部分冷負(fù)荷較為穩(wěn)定，不受室外氣象因素的影響。

（2）空調(diào)外區(qū)：直接受外圍護(hù)結(jié)構(gòu)日照得熱、溫差傳熱、輻射換熱和空氣滲透影響的區(qū)域。外區(qū)的空調(diào)負(fù)荷包括外圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷或熱負(fù)荷以及內(nèi)熱冷負(fù)荷。由于地理位置和氣候條件的影響，外區(qū)有時需要供冷有時需要供熱，而這種冷熱變化的需求并非完全隨季節(jié)變化而變化。比如在過渡季節(jié)甚至在冬季，東面朝向的房間在早晨受到日照得熱需要供冷，而西面朝向的房間由于沒有日照得熱，則需要供熱。

（3）空調(diào)內(nèi)區(qū)：與建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有一定距離，具有相對穩(wěn)定的內(nèi)熱冷負(fù)荷的區(qū)域。它不受外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的日照得熱、溫差傳熱和空氣滲透等影響。內(nèi)區(qū)全年僅有內(nèi)熱冷負(fù)荷，隨區(qū)域內(nèi)照明、設(shè)備和人員發(fā)熱量的狀況而變化，通常全年需要供冷。

從上述介紹可知，辦公室的空調(diào)負(fù)荷特性是存在內(nèi)外分區(qū)和朝向分區(qū)的，外區(qū)根據(jù)氣象因素變化有時供冷有時供熱，而內(nèi)區(qū)則需要常年供冷。要在過渡季節(jié)和冬季同時滿足內(nèi)外區(qū)人員的舒適性，就需要采用四管制的空調(diào)水系統(tǒng)同時供冷供熱。

目前上海高檔辦公樓主要采用變風(fēng)量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)。其工作原理是室內(nèi)空氣及室外新風(fēng)經(jīng)過空調(diào)箱進(jìn)行熱濕處理后，通過送風(fēng)管送向布置在不同溫度控制區(qū)的變風(fēng)量末端裝置，末端裝置會根據(jù)室內(nèi)冷熱負(fù)荷變化自動調(diào)節(jié)送入室內(nèi)的空氣量。當(dāng)室內(nèi)冷熱負(fù)荷減小時，末端裝置會減小送風(fēng)流量，系統(tǒng)所需總風(fēng)量也相應(yīng)減少，這時，自控系統(tǒng)會通過變頻器降低空調(diào)箱的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)用電量減少達(dá)到節(jié)能的目的。為滿足全年內(nèi)外區(qū)人員的舒適性，通常的做法是變風(fēng)量空調(diào)箱全年處于制冷工況，末端變風(fēng)量裝置根據(jù)內(nèi)外區(qū)分別布置，在外區(qū)需要供熱時，通過外區(qū)變風(fēng)量末端上的熱水盤管將風(fēng)機(jī)的循環(huán)風(fēng)量再熱達(dá)到供熱效果及較好的氣流組織。其系統(tǒng)平面示意圖如圖2所示。

圖2　VAV平面系統(tǒng)圖

變風(fēng)量空調(diào)+地槽式散熱器系統(tǒng)是在原變風(fēng)量空調(diào)末端的基礎(chǔ)上，將外區(qū)加熱水管移位到地板，即外區(qū)變風(fēng)量末端由并聯(lián)風(fēng)機(jī)動力型改為單風(fēng)道型。加熱水管布置在下層的吊頂內(nèi)。與VAV系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)在沿窗邊增設(shè)地槽式散熱器，散熱器設(shè)置在架空地臺中，負(fù)擔(dān)外區(qū)的熱負(fù)荷。在冬季，靠近散熱器的空氣被加熱，熱空氣上升，形成自然對流。經(jīng)加熱的空氣沿窗上升，阻止窗邊冷氣流進(jìn)入室內(nèi)，同時給窗玻璃加熱，減少其對室內(nèi)的輻射傳熱。相比較于采用地臺風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，避免了外區(qū)風(fēng)機(jī)盤管噪音問題，并可顯著降低玻璃上的冷凝現(xiàn)象。所需吊頂空間與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)一致。

此系統(tǒng)平面示意圖如圖3所示。

圖3　VAV+地槽式散熱器平面系統(tǒng)圖

根據(jù)該系統(tǒng)的原理可知，辦公室夏季內(nèi)外區(qū)和冬季內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷由變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，冬季外區(qū)的熱負(fù)荷由地槽式散熱器供熱系統(tǒng)承擔(dān)。由于冬季冷熱分開處理，使得內(nèi)外分區(qū)在冬夏季略有區(qū)別，冬、夏季外區(qū)進(jìn)深分別為3m、5m。因此該系統(tǒng)外區(qū)風(fēng)口設(shè)置在冬季的內(nèi)外區(qū)分界處（3m），即在冬季，VAV系統(tǒng)全部處在內(nèi)區(qū)，但需提供外區(qū)所需新風(fēng)量。

綜上所述，VAV+地槽式散熱器是以VAV為基礎(chǔ)的一種優(yōu)化方案，它解決了VAV系統(tǒng)的噪聲問題，并在熱舒適度上有進(jìn)一步的提升，運(yùn)行費(fèi)用更低且不增加安裝空間。

3　熱舒適度分析

空氣在房間里的流動涉及到氣體流動、傳熱傳質(zhì)等多方面的內(nèi)容[3]。本文使用流場計算軟件Phoenics對室內(nèi)氣流的流動進(jìn)行模擬計算，以比較VAV+地槽式散熱器與VAV系統(tǒng)的性能。在計算時，采用混合格式、κε湍流模型，并考慮重力的影響。

該模型采用如下設(shè)置：

（1）模擬的房間尺寸為20m×20m×3.2m；

（2）除外區(qū)作為參照物的一名人員外，本模擬不考慮內(nèi)熱；

（3）室內(nèi)溫度設(shè)計點定為22℃（熱舒適溫度，operative temperature），送風(fēng)量及送風(fēng)溫度均根據(jù)模型實際負(fù)荷確定；

（4）外圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷根據(jù)通過軟件計算確定，根據(jù)計算結(jié)果，圍護(hù)結(jié)構(gòu)每延米的負(fù)荷約為228W/m；

（5）在VAV模型中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷由外區(qū)VAV承擔(dān)。外區(qū)送風(fēng)量為10800m3/h，送風(fēng)溫度為27℃；由于不考慮內(nèi)熱，內(nèi)區(qū)送風(fēng)量為6075m3/h，送風(fēng)溫度為22℃；

（6）在VAV+地槽式散熱器方案中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷由地槽式散熱器承擔(dān)。由于不考慮內(nèi)熱，外區(qū)送風(fēng)量為10800m3/h，內(nèi)區(qū)送風(fēng)量為6075m3/h，送風(fēng)溫度均為22℃；

（7）熱水供回水溫度為55/45℃；

（8）檢測點取在內(nèi)外區(qū)交界處的工作區(qū)域（離地面高度為1.2m）；

（9）為降低噪聲，選用自然對流式地槽式散熱器。

模擬使用的模型如圖4、圖5所示。

圖4　VAV方案

此方案外區(qū)VAV冬季再熱后供熱，內(nèi)區(qū)為單風(fēng)道，冬季供冷。

圖5　VAV+地槽式散熱器方案

VAV末端均為單風(fēng)道，內(nèi)外區(qū)送風(fēng)溫度相同。外區(qū)設(shè)置地槽式散熱器。

兩方案的模擬結(jié)果對比如下：

3.1溫度分布

圖6　VAV方案溫度分布

由于熱量隨送熱風(fēng)從吊頂進(jìn)入，因此豎向溫差較大，人員所在高度范圍內(nèi)，豎向溫差達(dá)到1.5℃，人體頭部所在環(huán)境溫度較高。此外，為達(dá)到22℃的設(shè)定熱舒適溫度，室內(nèi)空氣溫度較高，約為23.5℃。

圖7　VAV+地槽式散熱器方案溫度分布

由于熱量由地槽式散熱器提供，因此豎向溫差較小，人員所在高度范圍內(nèi)，豎向溫差約為0.5～1℃，人員下肢溫度較高。此外，由于地槽式散熱器的存在，較低的空氣溫度（22℃）即可達(dá)到較高的舒適溫度。但由于進(jìn)出水溫較低，因此加熱的空氣沿窗上升，阻止窗邊冷氣流進(jìn)入室內(nèi)的效應(yīng)雖存在，但并不明顯。

3.2流速

圖8　VAV方案流速分布

圖8在模擬條件下，氣流組織較高，人員所在范圍內(nèi)，空氣流速約為0.04m/s，吹風(fēng)感較小。

圖9在模擬條件下，氣流組織較好，人員所在范圍內(nèi)，空氣流速約為0.05m/s，吹風(fēng)感較小。

3.3PMV

圖10由于內(nèi)外區(qū)送風(fēng)溫度不同，檢測面的PMV分布差異較大。檢測點PMV值為0.35左右。

圖9　VAV+地槽式散熱器方案流速分布

圖10　VAV方案PMV分布

圖11　VAV方案PMV分布（工作平面）

圖11工作平面PMV分布較為均勻，PMV值均在0.3左右。

圖12方案下檢測面的PMV分布差異較小。檢測點PMV值為0.03，舒適度較高。

圖13工作平面PMV分布較為均勻，PMV值在0～0.1之內(nèi)。

圖12　VAV+地槽式散熱器方案PMV分布

圖13　VAV+地槽式散熱器方案PMV分布（工作平面）

由模擬結(jié)果可知，VAV+地槽式散熱器方案較常規(guī)VAV系統(tǒng)更為舒適。此外，地槽式散熱器主要通過對流與輻射換熱，因此即使整體平均空氣溫度較低，但人員活動區(qū)域可達(dá)到較高的舒適度，較VAV系統(tǒng)更為節(jié)能。

4　清潔維護(hù)及防水患措施

4.1清潔維護(hù)

由于風(fēng)口設(shè)置于地面，細(xì)小雜物容易通過條形風(fēng)口掉入管槽內(nèi)，此外長期積灰容易影響散熱器的散熱性能，需要進(jìn)行定期的清潔維護(hù)。該設(shè)備的清洗較為方便，將頂部格柵拆卸后可通過吸塵器等進(jìn)行清洗。

此外，在夏季等不需要采暖的季節(jié)，頂部可用覆蓋板覆蓋，從而避免散熱器受到污染。

4.2防水患措施

根據(jù)考察項目的物業(yè)管理經(jīng)驗，如果安裝質(zhì)量控制好及系統(tǒng)維護(hù)好，該系統(tǒng)漏水可能性較小。實際應(yīng)用中可采取以下措施防止或減少水患：

（1）設(shè)置漏水傳感器；

（2）散熱器與架空地臺間可設(shè)置隔板以減小水患對地臺內(nèi)管線的影響；

（3）局部進(jìn)行降板處理，設(shè)置地漏。

5　結(jié)語

VAV+地槽式散熱器方案在傳統(tǒng)變風(fēng)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，營造良好的冬季室內(nèi)熱環(huán)境，提高了舒適度。標(biāo)準(zhǔn)層周邊散熱器可與地臺結(jié)合，滿足凈高的需求；初投資成本較VAV系統(tǒng)雖有增加，但舒適度高且系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低。

根據(jù)模擬結(jié)果，在熱水供回水溫度為55/45℃的條件下，室內(nèi)溫度波動較小，垂直溫差也較小，此時既可滿足舒適度要求，又可以有效降低能耗。

總體而言，在上海地區(qū)，VAV+地槽式散熱器易與建筑配合、外形美觀，并且可以以較低的供回水溫實現(xiàn)較高的舒適度，是一種值得推薦的高效采暖空調(diào)末端方案。

[1]張偉，等.低溫地板采暖與散熱器采暖效果的對比分析[J].太陽能學(xué)報，2005，26（3）.

[2]汪建生，等.四種供暖方式的分析比較[J].暖通空調(diào)，2005，35（4）.

[3]張志強(qiáng)，等.室內(nèi)空氣自然對流換熱的數(shù)值模擬研究[J].暖通空調(diào)，2004，34（3）：10～12.

Feasibility Study on Trench Heating System in Shanghai Area

CHEN Gang
（Arup Consultant Company Shanghai，Shanghai 200031，China）

Trench heating system has been widely used in the UK，North Europe and Korea，but is relatively less applied in hot-summer and cold-winter districts of China.A feasibility study has been performed to investigate trench heaters’feasibility in high-end offices in Shanghai.In this study，working principle，comfort level，operation and maintenance issues have been taken into consideration.

trench heater；working principle；comfort level；operation and maintenance

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.019

TU83

B

2095-3429（2015）05-0084-05

陳剛（1973-），男，工學(xué)學(xué)士，暖通工程師。

2015-10-08

2015-10-20